asup-shp-8-14

8

8-1. Топология локальной промышленной сети.

Топология сети описывает способ объединения различных сетевых устройств. Выбор топологии влияет на характеристики сети: способ доступа к сети, возможность ее расширения, надежность. Основными топологиями являются: шина (bus), кольцо (ring), звезда (star).

При построении сетей используются два варианта подключения сетевых устройств: радиальное и магистральное:

— радиальное соединение между двумя сетевыми устройствами (компьютером, PLC и т.п.) называется соединением точка к точке (point to point interface);

— магистральное соединение сетевых устройств, при котором сетевые устройства независимо выходят на общую линию передачи, называется «многоточечным» соединением (multipoint).

Топология «Шина» (магистраль). Наиболее простые и распространенные сети. Для объединения группы устройств в сеть здесь применяется единый (магистральный) кабель, имеющий несколько промежуточных ответвлений, которые используются для соединения магистрального провода с сетевыми устройствами (рис.1.4). Тип соединения — многоточечный. Каждое сетевое устройство может передавать данные только в том случае, если другие «молчат».

Сеть с такой топологией отличается легкостью расширения, однако чем больше абонентских узлов в сети, тем ниже ее производительность. Выход из строя магистрального кабеля влечет за собой остановку всей сети, однако выход из строя одного узла не нарушает работоспособности сети.

Топология «Кольцо». Информация передается от узла к узлу последовательно по физическому кольцу. Каждый узел передает информацию только одному из узлов (рис.1.5). Тип соединения — точка к точке. Приемный узел выступает в роли повторителя, регенерируя полученную информацию.

К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях, где передаваемые данные получают все узлы сети. На различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды. Выход из строя линии связи приводит к отказу сети.

Топология «Звезда». Все сетевые узлы подключены собственным физическим каналом связи к центральному концентратору или промышленному контроллеру (рис.1.6). Тип соединения — точка к точке. Информация от периферийного передающего узла поступает к другим периферийным узлам через центральный узел.

Центральный узел должен отличаться повышенной надежностью, поскольку выход его из строя останавливает всю сеть. Выход из строя периферийного узла или одного физического канала связи отключает только один сетевой узел и не влияет на работоспособность остальной сети.

8-2. Основные механизмы обработки информации в SCADA-системах: мнемосхемы – назначение, графические возможности, принципы построения.

Назначение. Мнемосхема (экранная форма) – наглядное графическое изображение технологического процесса, интегрированное со средствами контроля и управления. Она является важнейшим источником информации о характере и структуре связей, текущем состоянии переменных (в том числе связанных с нарушением технологических режимов, авариями и т. п.) и позволяет оператору-технологу:

• облегчить запоминание хода технологического процесса и назначения устройств и органов управления;

• определить способы действия при различных режимах работы объекта;

• способствовать упрощению поиска и опознания нужной информации для оперативного принятия правильных решений.

Графические компоненты. Все SCADA-системы имеют в своем составе средства, позволяющие создавать как статические элементы мнемосхем (контурные изображения технологических аппаратов, трубопроводы и т. д.), так и оживлять (анимировать) эти элементы (создавать динамические объекты). В состав этих средств входят:

• наборы графических примитивов рисования (линия, прямоугольник, эллипс, кривые, текст) и средства их компоновки для создания уникальных собственных объектов);

• готовые библиотеки типовых графических объектов: технологические объекты (аппараты, механизмы, машины и т. д.), табло, указатели, ползунки, кнопки, переключатели, служащие для отображения переменных и управления процессом. Данные библиотеки могут быть расширены пользователем.

При построении мнемосхемы вначале осуществляется прорисовка статического изображения рабочего окна. Обычно это аппараты технологического процесса или их технологическая последовательность, трубопроводы, фон, поясняющий текст и т. п.

Следующим шагом является придание мнемосхеме динамики, т. е. анимация нарисованных (или выбранных из библиотек) элементов. Под анимацией понимается способность элементов менять свои свойства при изменении переменных технологического процесса. Изменяемыми свойствами являются толщина, цвет и стиль линии, цвет и тиль заливки (если это фигура с заполнением), а также размеры, положение и ориентация элементов. Предусматривается также непосредственный ввод переменных (цифрами и текстом, ползунковыми устройствами) и управление процессом с помощью кнопок и переключателей (Пуск/Останов, Включение/Выключение, Вызов Окна и т. д.).

Принципы построения. При большом разнообразии технологических процессов спроектировать хорошую мнемосхему во многом искусство, но можно рекомендовать общие принципы построения:

– лаконичность и наглядность – мнемосхема должна быть простой (контуры и пропорции аппаратов приближены к виду реальных прототипов), не должна содержать второстепенных элементов, а отображаемая информация четкой и конкретной, удобной для восприятия и дальнейшей переработки. Мнемосхема должна предоставлять минимальное, но адекватное для контроля и управления количество переменных, не должна «перегружена» информацией для уточнения (второстепенные тренды), которую удобнее делать вложенной в виде всплывающих окон, вызываемых по требованию оператора;

– максимальная линейность изображения процесса, т.е. желательно выделять основную линию процесса, подчиняясь правилу визуальности: чтение «слева направо» и «сверху вниз», минимальное применение параллельных контуров, что значительно упростит восприятие схемы.

- автономность – обособление друг от друга участков мнемосхемы, соответствующих автономно контролируемым и управляемым объектам и агрегатам. Эти обособленные участки должны быть четко отделены от других и иметь завершенную, легко запоминающуюся и отличающуюся от других структуру.

– унификация – символы сходных объектов и процессов необходимо по возможности объединять и унифицировать;

- визуальный акцент к элементам контроля и управления – В первую очередь должны быть выделены (размерами, формой или цветом) элементы, существенные для оценки состояния, принятия решения и воздействия на управляемый объект (т.е. помогают быстро ориентироваться, определять и устранять отклонения и неисправности);

– учет человеческого фактора – мнемосхема должна разрабатываться и совершенствоваться с учётом мнения эксплуатирующего персонала.

Для оценки мнемосхем используются:

– коэффициент информативности – отношение числа пассивных (статических) элементов и активных (динамических);

– коэффициент заполнения поля – отношение числа пассивных элементов мнемосхем к общему числу элементов мнемосхемы.

8-3. ERP-системы. Управление проектами и программами.

Одна из тенденций развития производства состоит в росте доли продукции, не производимой на склад и даже не собираемой под заказ, а проектируемой по заказам. Таким образом, проект становится самостоятельным объектом управления и источником заказов, поэтому в ERP-системах существуют модули, предназначенные для управления проектами или программами.

В основе управления проектами лежат сетевые модел, использующие два метода — метод критического пути и метод оценки и пересмотра программ (ПЕРТ). Различие методов состоит в том, что в первом оценки продолжительности операций предполагаются детерминированными величинами, а во втором — случайными. Оба метода объединены в рамках единого подхода, получившего название сетевого планирования и управления

Сетевое планирование и управление включает три основных этапа:

• структурное планирование – разбиение проекта на операции; оценка продолжительности операций и построение сетевой модели; анализ модели на непротиворечивость.

• календарное планирование: расчет критического пути с выявлением критических операций; определение ранних и поздних времен завершения операций; определение резервов времени для некритических операций.

• оперативное управление: решении на сетевой модели задач учета, контроля, регулирования, в ходе которых корректировке могут подвергаться не только параметры модели, но и ее структура.

В ходе расчета сетевой модели определяются критические и некритические операции проекта:

• критическая операция, если задержка ее начала приводит к увеличению срока окончания всего проекта. Критический путь определяет непрерывную последовательность критических операций, связывающих исходное и завершающее событие;

• некритическая операция имеет резерв (запас) времени, поскольку промежуток времени между ее ранним началом и поздним окончанием больше ее длительности.

Различают два основных вида резервов времени:

1. Полный резерв. Он определяется соотношением:

Полный резерв = (позднее время завершения операции – раннее время начала операции) – длительность операции.

2. Свободный резерв. Он определяется в предположении, что все операции в сети начинаются в ранние сроки (т. е. имеется в виду левое крайнее расписание работ). У критических операций полные и свободные резервы равны нулю. У некритических операций полные резервы не равны нулю, а свободные резервы могут принимать значения как ненулевые, так и нулевые.

Резервы важны, потому что, сдвигая работы в рамках резервов, можно добиться удовлетворения ограничений на ресурсы или их наиболее равномерного использования. При распределении ресурсов возникает многовариантная задача, которая может быть описана как оптимизационная.

В больших и долгосрочных проектах может появиться неопределенность временных оценок работ, учитываемая введением для каждой операции трех вероятностных оценок ее длительности:

t0 — оптимистическая (минимальная) оценка;

tp — пессимистическая (максимальная) оценка;

tm — наиболее вероятная оценка.

Три оценки для каждой операции позволяют вычислить характеристики нормального распределения — длительность и дисперсию для каждого пути в сети, а затем высказать вероятностные суждения относительно пути.

Стоимостной аспект управления проектами вводится в схему календарного планирования с помощью зависимости «стоимость-время» для каждой операции проекта. Расчет с учетом стоимостных факторов направлен на поиск оптимального соотношения «затраты-время» для всего проекта. При этом учитывается, что сжатие первоначального варианта сопровождается ростом прямых затрат и уменьшением косвенных затрат.

9

9-1. Аппаратные компоненты локальной промышленной сети.

Локальная промышленная сеть использует последовательную передачу данных по каналу связи. В качестве физической среды передачи данных обычно применяется витая пара, коаксиальный кабель или оптоволокно, реже — канал беспроводной связи.

Витая пара представляет собой пару изолированных проводящих жил, скрученных друг с другом и помещенных в общую диэлектрическую оболочку. Достоинство — низкая стоимость и простота применения.

Коаксиальный кабель представляет собой медную токоведущую жилу, окруженную слоем диэлектрика и покрытием в виде металлической оплетки или фольги. Существует в двух вариантах: тонкий — 6 мм (10 Base2 /IEEE 802.3) и толстый — 12 мм (10 Base5/IEEE802.3). Достоинство — возможность прямых ответвлений (путем прокалывания изоляционного слоя), благодаря чему сеть может легко наращиваться, а также помехозащищенность.

Оптоволоконный кабель состоит из оптоволокна и защитного покрытия. Оптоволокно изготавливается из стекла или специального пластика и служит для передачи световых сигналов. Оптоволокно покрывается светоотражающим составом, предотвращающим рассеивание света. Снаружи оптоволокно покрыто поливинилхлоридом или каким-либо другим защитным покрытием, повышающим прочность кабеля. Используется в основном оптоволокно двух типов. Первый тип предполагает параллельную передачу нескольких световых сигналов и применяется для передач на расстояние до 2000 м, источник сигнала — диод. Второй тип предусматривает одиночный режим передачи, применяется для передачи сигнала на расстояние до 5000 м, источник сигнала — лазер. Достоинства— высокая скорость передачи данных и устойчивость к электромагнитным помехам, так как оптоволокно не является электропроводящим материалом.

Физические интерфейсы определяются рядом стандартов (RS-232, RS-422 и RS-485), устанавливающим требования (к характеристикам электрических сигналов (фронты и уровни напряжения или тока); способам кодирования данных, типам разъемов и т.д.).

Стандарт RS-232C. Применяется при относительно медленной передаче сигналов — скорость передачи данных от 50 до 38 400 бит/с; максимальная длина соединения (без повторителей) — 15 м. Информация передается последовательно бит за битом асинхронным способом. Передаваемый байт данных содержит бит паритета и сопровождается стартовым и стоповыми битами. Единица и нуль кодируются импульсами напряжения положительной и отрицательной полярности.

Стандарты RS-422 и RS-485. Разработанные позднее стандарты интерфейсов последовательной передачи данных RS-422 и RS-485 допускают значительно большие скорости и дальность передачи данных. Наибольшее распространение нашел стандарт RS-485. Интерфейсы на базе этого стандарта реализованы практически во всех промышленных контроллерах.

Доступ к среде передачи данных использует два основных метода передачи данных — централизованный и децентрализованный.

Централизованный метод доступа (метод «ведущий/ведомый» — master/slave) предполагает наделение одного из узлов правами ведущего, или хозяина (master). Другие узлы являются ведомыми (slave). Ведущий узел определяет порядок и время доступа ведомых узлов к шине, инициирует циклы обмена данными по шине с ведомыми узлами. Сообщения могут передаваться только одному узлу или всем узлам одновременно. В последнем случае это широковещательный (broadcast) режим, не требующий адресации каждого абонента сети. При отказе ведущего узла обмен по шине приостанавливается. Централизованный метод используется, как правило, на нижнем уровне управления — уровне контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов.

Децентрализованный метод доступа к шине предполагает наделение правами ведущего группы устройств сети. Этот метод получил наибольшее развитие. Функции ведущего в этом случае могут передаваться от одного узла к другому.

Основными специализированными сетевыми устройствами, используемыми в локальных сетях, являются:

— трансивер (tranceiver) — устройство, которое служит для подключения сетевого узла к основной магистрали сети из коаксиального кабеля или оптоволокна;

— концентратор (hub) — используется при создании инфраструктуры сети. Соединяет сегменты кабеля, восстанавливает и усиливает передаваемый сигнал;

— интеллектуальный концентратор (switcher) — обладает возможностью коммутировать приходящие пакеты, т.е. ретранслировать их по сегментам, выделенным на основе анализа адресной информации. Трансивер и концентратор реализуют функции физического уровня OSI-модели;

— мост (bridge) — интеллектуальное устройство, которое служит для соединения двух различных сетей, например Profibus и Ethernet. Передает пакеты из одной сети в другую по адресу назначения и реализует функции канального уровня OSI-модели;

— маршрутизатор (router) — используется в сложных сетях в точках разветвления маршрутов для определения дальнейшего наилучшего пути пакета, функционирует на сетевом уровне OSI-модели. В качестве маршрутизатора может использоваться сетевая станция, имеющая несколько сетевых интерфейсов и соответствующее прграммное обеспечение;

— сетевой адаптер. Каждый из узлов сети содержит сетевой адаптер (плату или микросхему интерфейсного контроллера) реализующий функции физического и канального уровней OSI-модели и предназначенный для сопряжения сети со средой передачи данных. В его функции входят: контроль возможности доступа к сети, идентификация адреса, кодирование и декодирование сигнала, преобразование параллельного кода в последовательный и обратное преобразование соответственно при передаче и приеме, промежуточное хранение данных в буферной памяти, контроль ошибок.

9-2. Основные механизмы обработки информации в SCADA-системах: протоколирование (архивирование) и обработка процессных переменных.

Протоколирование (архивирование, на техническом жаргоне «история», history) и обработка процессных переменных позволяет оператору-технологу:

1. оценить динамику изменения технологических переменных за длительный период времени, что полезно для понимания поведения процесса в различных (в том числе аварийных) ситуациях, а, следовательно, и пополнения знаний о конкретной технологии;

2. оценить качество и эффективность управления на основе ретроспективного анализа ключевых технологических (процессных) переменных, что позволяет судить о том, в какой мере достигнута поставленная цель управления;

3. установить причины возникновения различных аварийных и нештатных ситуаций. Так, изучив журнал аварийных ситуаций, можно определить, какое именно действие привело к отклонению от регламента или аварии.

Процессные переменные – это численные значения переменных (обычно, сигналы ввода/вывода), определяющие текущее состояние технологического процесса. Они делятся на дискретные и аналоговые:

• дискретная переменная принимает конечное число значений из узкого диапазона. На практике под дискретной переменной чаще всего подразумевают величину булевского типа (двоичную), указывающую на одно их двух возможных состояний объекта (или управляющего сигнала), т. е. включено/выключено);

• аналоговая переменная принимает любую величину из ограниченного непрерывного диапазона значений.

Существуют две техники регистрации значений процессных переменных в архиве SCADA-систем:

1. Циклическая запись (cyclic archiving) – запись текущего значения процессной переменной через заданные пользователем интервалы времени вне зависимости от величины и скорости изменения данной переменной (рис. 1). Интервал циклической записи для каждой переменной настраивается индивидуально и, как правило, лежит в диапазоне от 0.5 с до 10 мин. Хотя эта техника не очень экономична, она довольно часто используется для архивации аналоговых переменных.

2. Архивация по изменению переменной (дельта-архивированиe, delta-archiving) – запись переменной в архив только тогда, когда изменение ее значения по сравнению с предыдущим записанным значением (абсолютная разность) достигает определенной величины – дельты (рис. 2). Дельта настраивается пользователем и может быть выражена как в абсолютных единицах измерения, так и в процентах от шкалы. Эта техника более экономична, чем циклическая запись, так как адаптируется к скорости изменения архивируемой величины.

Для дискретных величин – этот подход незаменим. Допустим, у нас есть дискретная переменная, которая изменяется, скажем, раз в час. Зачем же ее архивировать каждую секунду или минуту? Ведь гораздо логичнее записывать значение переменной в архив только в те моменты, когда это значение переходит из 1 в 0 или наоборот.

Хранить архив в одном большом файле – это не очень хорошо с точки зрения скорости доступа к данным. Поэтому он состоит из множества последовательно создаваемых файлов (система генерирует новый файл архива каждую рабочую смену или сутки).

Существует три варианта записи процессных переменных в архив:

1. в обычный текстовый файл в формате CSV (comma separated values). Преимущество хранения –просмотр любым текстовым редактором, экспорт в MS Excel и просмотр в виде таблицы, применяя необходимые сортировки и фильтры. Недостаток – неэкономичность хранения, т. к. архив занимает много места на жестком диске. Для уменьшения объема архива применяют сжатие по алгоритму ZIP или RAR.

2. в двоичный файл, формат которого зависит от используемого программного обеспечения визуализации технологического процесса (SCADA). Это более экономичное представление архива, однако формат архива у разных производителей SCADA-систем может сильно различаться.

3. в реляционную базу данных с поддержкой СУБД SQL, что позволяет достичь большой скорости работы с архивом (добавление записей, чтение и обработка данных). При этом сервер SQL может обеспечить доступ к архиву сразу нескольким десяткам удаленных клиентов. Поскольку доступ осуществляется по открытому интерфейсу SQL, разработчики имеют возможность создавать клиентские приложения под свои нужды. Но главное преимущество заключается в том, что архив на базе SQL – это отличная возможность для интеграции с информационными системами более высокого уровня (например, уровня MES-систем).

Архив отображают в виде специального динамического (обновляемого автоматически) графика, называемого трендом (trend). Тренд помещается на мнемосхемы операторского интерфейса в тех места, где это необходимо и удобно оператору.

9-3. ERP-система: планирование производства и составление графика выпуска продукции.

Графики производства — это краткосрочные планы производства товаров или конечной продукции.

Планирование производства включает следующие шаги:

1. Прогноз продаж и фиксация фактического спроса для каждого вида продукции. Он показывает количества, которые должны быть проданы в каждый временной период (неделю, месяц, квартал) планового горизонта (обычно от 6 до 18 месяцев).

2. Сведение воедино в общий прогноз данных по всем отдельным видам продукции и услуг.

3. Преобразование суммарного спроса в каждом периоде в численность рабочих, оборудования и других составляющих производственных мощностей, требуемых для его удовлетворения.

4. Разработка альтернативных схем использования ресурсов, позволяющих обеспечить производственные возможности, удовлетворяющие суммарный спрос.

5. Отбор из альтернатив такого плана использования мощностей, который позволяет удовлетворить спрос и наилучшим образом отвечает целям организации.

Основными источниками для определения возможностей предприятия при разработке среднесрочных планов являются: основное и сверхурочное рабочее время; запасы продукции, образованные в предшествующие периоды; субконтракты на поставку продукции или выполнение услуг внешними партнерами.

Различают следующие виды среднесрочных планов: сбалансированный и план с фиксированным уровнем мощности.

Сбалансированный план. В каждый момент времени располагаемые мощности равны потребностям, вытекающим из прогнозируемого спроса.

План с фиксированным уровнем мощностей. Мощности являются постоянными на всем горизонте планирования. Отклонение меняющегося спроса от возможностей постоянных производственных мощностей компенсируется с помощью запасов, отложенного спроса, сверхурочных работ и субконтрактов.

На практике целесообразно рассматривать несколько вариантов планов с различными подходами к компенсации колебания спроса.

График выпуска продукции создается на основе информации о заказах, прогнозах спроса, состоянии запасов и производственных мощностях. В ходе построения графика выполняется проверка вариантов графика на недогрузку или перегрузку производственных мощностей.

График является динамичным и периодически обновляется. При этом решается задача учета хода производства, начало и окончание горизонта планирования сдвигаются вправо на одну неделю, заново пересматривается оценка спроса. В связи с тем, что спросы, расположенные в дальних периодах, вероятнее всего, изменяются по мере приближения временного интервала к фиксированному виду, требования к точности оценки спроса для начальных периодов выше, чем для отдаленных. Планирование производства на уровне графика выпуска продукции имеет ряд отличительных особенностей в зависимости от того, работает предприятие на склад или по заказам. В наибольшей степени изменениям подвержены управление спросом, размер партий запуска и количество выпускаемой продукции. В производстве, выполняющем заказы, при оценке спроса доминируют поступившие изданный момент заказы. График составляется обычно на основе портфеля заказов. Размер партии и количество выпускаемой продукции обычно совпадают и определяются заказом. Процесс составления графика для таких предприятий наиболее сложен и трудоемок, особенно для многономенклатурного производства.

10

10-1. Информационное обеспечение АСУ на основе объектно-ориентированных и объектно-реляционных баз данных.

Суть объектно-ориентированной БД определяется объектно-ориентированным подходом, который подразумевает объектно-ориентированное проектирование и объектно-ориентированное программирование.

Объектно-ориентированное проектирование — методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления логических и физических, а также статических и динамических моделей проектируемой системы.

Объектно-ориентированное программирование — методология программирования, основанная на представлении программ в виде связанной совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию по наследованию. Объектно-ориентированное проектирование предполагает не только деление (декомпозицию) базы знаний или базы данных на составные части, но и рассмотрение общей этапности реализации БД, выбор инструмента реализации с учетом оговоренных в техническом задании вариантов реализации.